一種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及優(yōu)良耐蝕性馬氏體不銹鋼及其熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及優(yōu)良耐蝕性馬氏體不銹鋼及其熱處理方法，屬于不銹鋼材料【技術(shù)領(lǐng)域】。該不銹鋼的化學(xué)成分如下（重量%）：C：0.28-0.35；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.040；S：≤0.030；Cr：12.00-14.00；Cu：2.5-3.5；Mo：0.5-1.0；N：0.02-0.08；余量為Fe；該不銹鋼經(jīng)過(guò)特殊熱處理后，在不銹鋼基體中能均勻和彌散的析出富銅相，從而賦予該不銹鋼抗菌功能，同時(shí)仍能保持馬氏體不銹鋼的高硬度。本發(fā)明不銹鋼具有廣譜抗菌性，兼具良好的力學(xué)性能，能廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、衛(wèi)生器具以及廚房刀刃具等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】-種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及優(yōu)良耐蝕性馬氏體不銹鋼及 其熱處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及不銹鋼材料領(lǐng)域，具體涉及一種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及優(yōu)良耐蝕性 馬氏體不銹鋼及其熱處理方法。該不銹鋼除具有獨(dú)特的抗菌功能外，同時(shí)保持高硬度，可廣 泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、衛(wèi)生器具以及廚房刀刃具等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 含銅抗菌不銹鋼的研究和開(kāi)發(fā)使得人體免疫系統(tǒng)擴(kuò)大到人類生活空間的每個(gè)角 落，對(duì)提高人民生活質(zhì)量和社會(huì)發(fā)展都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于具有可 能的高硬度和強(qiáng)抗菌性，馬氏體抗菌不銹鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有誘人的潛在市場(chǎng)，舉例說(shuō)明， 如果外科手術(shù)器械用手術(shù)刀采用具有高硬度和強(qiáng)抗菌性的馬氏體不銹鋼，這將有效地降低 外科手術(shù)過(guò)程中帶來(lái)的細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)，保證手術(shù)安全質(zhì)量。
[0003] 雖然專利CN101205592、CN10134868. 8介紹了馬氏體抗菌不銹鋼，但由于其為了 保證該類型材料的抗菌特性，采用的高溫時(shí)效往往會(huì)帶來(lái)組織軟化，因此硬度將大幅下降 至奧氏體鋼硬度水平，因此這極大的限制了其潛在的應(yīng)用。專利CN102242320A雖然介紹了 該鋼具有高硬度的同時(shí)仍兼具抗菌特點(diǎn)，但該鋼眾多合金的添加而帶來(lái)的高成本因素和過(guò) 高的碳含量帶來(lái)的耐蝕性能的下降也將很大程度上限制其在潛在領(lǐng)域的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及 優(yōu)良耐蝕性馬氏體不銹鋼及其熱處理方法，可以滿足醫(yī)療器械、衛(wèi)生器具以及廚房刀刃具 等用馬氏體不銹鋼領(lǐng)域?qū)τ捕群涂咕囊蟆?br> [0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及優(yōu)良耐蝕性馬氏體不銹鋼，按重量百分比計(jì)，該不銹 鋼的化學(xué)成分為：C:0· 28-0. 35%，Cr:12· 00-14. 00%，Cu:2· 5-3. 5%，Mo:0· 5-1. 0%，N: 0. 02-0. 08%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。不銹鋼中雜質(zhì)元素含量符合各領(lǐng)域用不銹鋼 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要求（Si彡L00% ;Mn彡L00% ;P彡0· 040% ;S彡0· 030%)。
[0007] 本發(fā)明中含C量為0. 28-0. 35%，不僅保證了馬氏體的硬度和耐磨性，與此同時(shí)，采 用合適的熱處理，與合金元素如Mo形成更加細(xì)小穩(wěn)定的碳化物，進(jìn)一步增加基體中Cr的含 量，提高了合金的耐腐蝕性能。
[0008] 本發(fā)明中含有0. 5-1. 0%M〇,采用合適的熱處理方法，可以在鋼中形成硬度較高的 碳化物，在回火過(guò)程形成二次硬化，增加不銹鋼的硬度和耐點(diǎn)蝕性能。如Mo含量低于下限， 對(duì)合金的硬化作用不明顯，而含量超過(guò)上限，則會(huì)帶來(lái)成形性能變差和成本提高等問(wèn)題。
[0009] 本發(fā)明中含有12. 00-14. 00%Cr，Cr是保持不銹鋼優(yōu)良耐蝕性能的主要合金元素。 [0010]本發(fā)明中含有2. 5-3. 5%Cu，，以保證在特殊熱處理?xiàng)l件下，富銅相在鋼中的均勻彌 散析出。當(dāng)銅含量較低時(shí)，即使經(jīng)過(guò)特殊熱處理，不銹鋼基體中不易析出富銅相，因而不具 備穩(wěn)定的抗菌性能。當(dāng)銅含量相對(duì)過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不銹鋼在高溫下析出富銅相，嚴(yán)重影響到 不銹鋼的熱加工性能。此外，過(guò)量的富銅相析出亦會(huì)降低不銹鋼的耐腐蝕性能。
[0011] 本發(fā)明中不銹鋼中的含氮量為0.02-0.08%。在正常的抗菌熱處理制度下，由于時(shí) 效時(shí)間較長(zhǎng)，不銹鋼基體中析出的較為粗大的富銅相減弱了析出相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，會(huì) 使材料強(qiáng)度明顯下降。而間隙原子氮的加入會(huì)通過(guò)固溶強(qiáng)化作用來(lái)有效提高不銹鋼的強(qiáng) 度，以彌補(bǔ)富銅相析出導(dǎo)致強(qiáng)化效果弱化的影響，同時(shí)還能顯著提高不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能。 當(dāng)?shù)枯^低時(shí)，氮對(duì)于鋼的強(qiáng)化效果有限；當(dāng)?shù)枯^高時(shí)，雖然能進(jìn)一步提高不銹鋼的 綜合性能，但會(huì)對(duì)不銹鋼的熱加工性能造成不利影響。
[0012] 本發(fā)明還提供了上述馬氏體不銹鋼的熱處理工藝，該工藝包括如下步驟：
[0013] (1)在1030-1KKTC保溫0. 5-lh，使鋼中的銅及碳化物(碳化鉻、碳化鑰等）能充分 固溶于基體中，使組織充分均勻化，油冷至室溫后，獲得馬氏體組織的同時(shí)使鋼中的銅處于 過(guò)飽和狀態(tài)；
[0014] (2)在-120?-196°C冷處理0· 3-1小時(shí)，使殘余奧氏體中的富集銅充分遠(yuǎn)離熱力 學(xué)平衡態(tài)；
[0015] (3)在650?750°C保溫2-6小時(shí)，空冷至室溫，使過(guò)飽和的銅從鋼中析出足夠體 積分?jǐn)?shù)的富銅相；
[0016] (4)在930?1000°C保溫3-10分鐘，水冷或油冷至室溫，保證馬氏體抗菌不銹鋼 淬火后的高硬度，同時(shí)控制富銅相的過(guò)多溶解；
[0017] (5)在400?550°C保溫0. 5-1小時(shí)，空冷至室溫，此過(guò)程能充分保證碳化物以碳 化鑰的形式存在，進(jìn)一步增加基體中的鉻含量以提高耐蝕性能；
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 1、本發(fā)明的馬氏體不銹鋼添加了銅元素，經(jīng)過(guò)特殊熱處理后，在不銹鋼基體中析 出分布彌散均勻的富銅相，從而使得馬氏體不銹鋼具有優(yōu)異的抗菌特性。
[0020] 2、為了彌補(bǔ)力學(xué)性能及耐蝕性能的下降，考慮到氮（N)原子的固溶強(qiáng)化和對(duì)耐點(diǎn) 蝕性能的良好效果，本發(fā)明在不銹鋼中增加了一定量的氮元素（0.02-0. 08%)，使其具有固 溶強(qiáng)化作用的同時(shí)，兼顧提高不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能。
[0021] 3、本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，在現(xiàn)有馬氏體不銹鋼中增加含銅量和添加一定量的氮元 素，通過(guò)特殊熱處理，獲得了具有高硬度、強(qiáng)抗菌性以及優(yōu)良耐蝕性能的馬氏體不銹鋼新材 料。
[0022] 4、本發(fā)明中的抗菌不銹鋼可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、衛(wèi)生器具以及廚房刀刃具等馬 氏體不銹鋼領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為實(shí)施例1中馬氏體抗菌不銹鋼殺滅大腸桿菌的效果照片；圖中，（a)對(duì)照 3Crl3Mo不銹鋼；（b)馬氏體抗菌不銹鋼。
[0024] 圖2為實(shí)施例3中馬氏體抗菌不銹鋼的極化曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 按照下述公式計(jì)算馬氏體抗菌不銹鋼和對(duì)照樣品（3Crl3Mo不銹鋼)對(duì)常見(jiàn)感染菌 (大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等）作用后的殺菌率：
[0026] 殺菌率（%) =[(對(duì)照樣品活菌數(shù)-抗菌不銹鋼活菌數(shù)）/對(duì)照樣品活菌數(shù)]X100 其中，對(duì)照樣品活菌數(shù)是指在對(duì)照樣品上進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)后的活菌數(shù)，抗菌不銹鋼活菌數(shù)是 指在馬氏體抗菌不銹鋼上進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)后的活菌數(shù)。
[0027] 按照"JISZ2801-2000《抗菌加工制品一抗菌性試驗(yàn)方法和抗菌效果》、GB/ T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能實(shí)驗(yàn)方法和抗菌效果》"等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行了沉淀硬化馬氏 體抗菌不銹鋼對(duì)典型細(xì)菌的抗菌性能檢測(cè)。
[0028] 采用常規(guī)電化學(xué)三電極系統(tǒng)方法在PRINCET0N273A電化學(xué)綜合分析儀和 S0LATR0N1287恒電位儀上對(duì)上述不銹鋼進(jìn)行極化曲線測(cè)試，參考電極為KCl飽和甘汞電 極，對(duì)電極為鉬電極，掃描速度為〇. 5mV/s，電解質(zhì)溶液為0. 9%NaCl生理鹽水。
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 在本實(shí)施例中，馬氏體抗菌不銹鋼的化學(xué)成分為(重量％ ):
[0031] C:0· 34%，Cr:13· 76%，Mo:0· 79%，Cu:3· 42%，N:0· 06%，其余為Fe;雜質(zhì)元素 含量：Si彡 1. 00%，Mn彡 1. 00%，P彡 0· 040%，S彡 0· 030%。
[0032] 上述馬氏體抗菌不銹鋼的熱處理工藝為：
[0033] 在1080°C保溫0. 5小時(shí)，油冷至室溫后，在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)，然后升 溫至700°C保溫2小時(shí)以析出富銅相，空冷至室溫；然后在KKKTC保溫10分鐘水淬；最后在 500°C保溫1小時(shí)。
[0034] 抗菌結(jié)果如圖I(b)所示，可見(jiàn)與對(duì)照樣品3Crl3Mo不銹鋼相比，馬氏體抗菌不銹 鋼具有優(yōu)異的殺菌能力，硬度測(cè)試和耐點(diǎn)蝕能力測(cè)試如表1所示。
[0035] 實(shí)施例2
[0036] 在本實(shí)施例中，馬氏體抗菌不銹鋼的化學(xué)成分為(重量％ ):
[0037] C:0· 30%，Cr:13· 14%，Mo:0· 67%，Cu:3· 14%，N:0· 07%，其余為Fe;雜質(zhì)元素 含量：Si彡 1. 00%，Mn彡 1. 00%，P彡 0· 040%，S彡 0· 030%。
[0038] 上述馬氏體抗菌不銹鋼的熱處理工藝為：
[0039] 在1060°C保溫0. 5小時(shí)，油冷至室溫后，然后在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)，然 后升溫至650°C保溫4小時(shí)以析出富銅相，空冷或水冷至室溫；然后在980°C保溫5分鐘水 洋；最后在480C保溫1小時(shí)。
[0040] 實(shí)施例3
[0041] 在本實(shí)施例中，馬氏體抗菌不銹鋼的化學(xué)成分為(重量％ ):
[0042] C:0· 29%，Cr:12. 78%，Mo:0· 62%，Cu:2. 8%，N:0· 04%，其余為Fe;雜質(zhì)元素含 量：Si彡 1. 00%，Mn彡 1. 00%，P彡 0· 040%，S彡 0· 030%。
[0043] 上述馬氏體抗菌不銹鋼的熱處理工藝為：
[0044] 在1040°C保溫0. 5小時(shí)，油冷至室溫后，在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)，然后升 溫至720°C保溫4小時(shí)以析出富銅相，空冷至室溫；然后在930°C保溫3分鐘水淬，最后在 530°C保溫2小時(shí)。本實(shí)施例馬氏體抗菌不銹鋼的極化曲線如圖2所示。
[0045] 對(duì)比例1
[0046] 在本實(shí)施例中，馬氏體不銹鋼3Crl3Mo的化學(xué)成分為（重量％):
[0047] C:0· 30%，Cr:13· 10%，Mo:0· 64%，其余為Fe。
[0048] 在1040°C保溫0. 5小時(shí)，油冷至室溫后；然后在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)，然 后在400C保溫1小時(shí)。
[0049] 抗菌試驗(yàn)結(jié)果如圖I(a)所示，3Crl3Mo由于沒(méi)有抗菌相不能體現(xiàn)明顯的殺菌作 用。
[0050] 對(duì)比例2
[0051] 在本實(shí)施例中，馬氏體抗菌不銹鋼的化學(xué)成分為(重量％ ):
[0052]C:0· 32%，Cr:13. 05%，M〇 :0· 54%，Cu:2. 9%，N:0· 05%，其余為Fe;雜質(zhì)元素含 量：Si彡 1. 00%，Mn彡 1. 00%，P彡 0· 040%，S彡 0· 030%。
[0053] 上述馬氏體抗菌不銹鋼的熱處理工藝為：
[0054] 在1050°C保溫1小時(shí)，油冷至室溫后，然后在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)，然后 升溫至690°C保溫6小時(shí)以析出富銅相，空冷至室溫；然后在1020°C保溫15分鐘水淬，最后 在500°C保溫1小時(shí)。
[0055] 試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，過(guò)長(zhǎng)的短時(shí)固溶時(shí)間使得富銅相又回溶到奧氏體基體中， 抗菌能力消失。
[0056] 對(duì)比例3
[0057] 在本實(shí)施例中，馬氏體抗菌不銹鋼的化學(xué)成分為(重量％ ):
[0058]C:0· 27%，Cr:13· 11%，Μο:0· 67%，Cu:2. 2%，N:0· 05%，其余為Fe;雜質(zhì)元素含 量：Si彡 1. 00%，Mn彡 1. 00%，P彡 0· 040%，S彡 0· 030%。
[0059] 上述馬氏體抗菌不銹鋼的熱處理工藝為：
[0060] 在1060°C保溫1小時(shí)，油冷至室溫后；然后在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)；然 后升溫至730°C保溫5小時(shí)以析出富銅相，空冷至室溫；然后在10KTC保溫5分鐘水淬；最 后在480C保溫2小時(shí)。
[0061] 試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，過(guò)低的銅含量導(dǎo)致抗菌富銅相偏少，殺菌能力偏弱。
[0062] 對(duì)比例4
[0063] 在本實(shí)施例中，馬氏體抗菌不銹鋼的化學(xué)成分為(重量％ ):
[0064]C:0· 42%，Cr:13. 02%，M〇 :0· 75%，Cu:3. 1%，N:0· 04%，其余為Fe;雜質(zhì)元素含 量：Si彡 1. 00%，Mn彡 1. 00%，P彡 0· 040%，S彡 0· 030%。
[0065] 上述馬氏體抗菌不銹鋼的熱處理工藝為：
[0066] 在1060°C保溫1. 5小時(shí)，油冷至室溫后，在液氮中（_196°C)保持0. 5小時(shí)，然后升 溫至700°C保溫6小時(shí)以析出富銅相，空冷至室溫；然后在10KTC保溫3分鐘水淬，最后在 480°C保溫2小時(shí)。
[0067] 試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，過(guò)高的碳含量導(dǎo)致鋼中碳化物過(guò)多，嚴(yán)重降低馬氏體抗菌 不銹鋼的耐點(diǎn)蝕能力。
[0068] 以上實(shí)施例及對(duì)比例相關(guān)抗菌試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
[0069]表1
[0070]

【權(quán)利要求】
1. 一種兼具高硬度、強(qiáng)抗菌性及優(yōu)良耐蝕性馬氏體不銹鋼，其特征在于：按重量百分 比計(jì)，該不銹鋼的化學(xué)成分為：C :0· 28-0. 35%，Cr :12· 00-14. 00%，Cu :2· 5-3. 5%，Mo : 0. 5-1. 0%，N :0. 02-0. 08%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼，其特征在于：按重量百分比計(jì)，該不銹鋼中雜 質(zhì)元素 ：Si 彡 1. 00%，Μη 彡 1. 00%，P 彡 0· 040%，S 彡 0· 030%。
3. 按照權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼的熱處理方法，其特征在于：該方法包括如下 步驟： (1) 在1030?1KKTC保溫0· 5-lh，油冷至室溫； (2) 在-120?-196°C冷處理0· 3-1小時(shí)； (3) 在650?750°C保溫2-6小時(shí)，空冷至室溫； (4) 在930?1000°C保溫3-10分鐘，水冷或油冷至室溫； (5) 在400?550°C保溫0. 5-2小時(shí)，空冷至室溫。
【文檔編號(hào)】C22C38/22GK104278199SQ201310278268
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月3日
【發(fā)明者】楊春光, 王帥, 楊柯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所